(57)【要約】【課題】圧縮比可変機構を備え、機械圧縮比に依存して気筒内に流入する新気の量が所望の量からずれることを抑制する内燃機関を提供する。【解決手段】内燃機関は、圧縮比可変機構と、気筒内に燃料を噴射する燃料噴射弁を含む冷却液体供給手段とを備える。気筒内から燃焼ガスを排気して排気弁を閉弁したときには、気筒内には燃焼ガスが残留しており、気筒内に残留する燃焼ガスを冷却するための予備の燃料噴射量を機械圧縮比に基づいて設定し、排気弁が閉弁する直前の予め定められた時期に、設定した予備の燃料噴射量の燃料を気筒内に供給する。【選択図】図８
2013007305.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼室の容積が可変に形成されている圧縮比可変機構と、
気筒内に冷却液体を供給する冷却液体供給手段とを備え、
燃焼サイクルの排気行程において気筒内から燃焼ガスを排出し、排気弁を閉弁したときには気筒内に燃焼ガスが残留しており、
気筒内に残留する燃焼ガスを冷却する冷却液体の供給量を機械圧縮比に基づいて設定し、排気弁が閉弁する直前の予め定められた時期に、設定した供給量の冷却液体を気筒内に供給することにより燃焼ガスを収縮させることを特徴とする、内燃機関。
【請求項２】
冷却液体供給手段は、気筒内に燃料を噴射する燃料噴射弁を含み、
内燃機関の運転状態を検出し、運転状態に基づいて１回の燃焼サイクルに気筒内に供給する全体の燃料噴射量を設定し、
機械圧縮比に基づいて予備の燃料噴射量を設定し、排気弁が閉弁する直前の予め定められた時期に、設定した予備の燃料噴射量にて燃料を噴射し、
排気弁が閉弁した後に全体の燃料噴射量から予備の燃料噴射量を減算した噴射量にて、気筒内に燃料を供給することを特徴とする、請求項１に記載の内燃機関。
【請求項３】
冷却液体供給手段は、気筒内に冷却水を噴射する冷却水噴射弁を含み、
冷却液体として冷却水を燃焼室に供給することを特徴とする、請求項１または２に記載の内燃機関。
【請求項４】
燃焼室から排気が流出する排気ポートを含む機関本体と、
機関排気通路に液体の還元剤を供給可能に形成されている還元剤供給弁とを備え、
還元剤供給弁は、排気ポートに還元剤を噴射するように形成されており、
冷却液体供給手段は、還元剤供給弁を含み、
還元剤を排気ポートに噴射することにより、気筒内に冷却液体として還元剤を供給することを特徴とする、請求項１から３のいずれか一項に記載の内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関に関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関の燃焼室においては、空気および燃料の混合気が圧縮された状態で点火される。混合気を圧縮するときの圧縮比は、出力されるトルクおよび燃料消費量に影響を与えることが知られている。圧縮比を高くすることにより出力されるトルクを大きくしたり、燃料消費量を少なくしたりすることができる。一方で、圧縮比を高くしすぎると、ノッキング等の異常燃焼が生じることが知られている。従来の技術においては、運転期間中に圧縮比を変更することができる圧縮比可変機構を備える内燃機関が知られている。
【０００３】
特開２００５−２０７２７３号公報においては、燃焼室の容積を変化させることによって圧縮比が変更される可変圧縮比機構を備える内燃機関が開示されている。この内燃機関は、排気通路に設けられた排気浄化触媒を備え、圧縮比が変更される過渡時に、気筒内における混合気の空燃比が、圧縮比の変更前後とほぼ同等となるように燃料噴射量を補正することが開示されている。この内燃機関においては、圧縮比が変更される過渡時に排気特性が悪化するのを抑制できることが開示されている。
【０００４】
特開２００４−２３２５８０号公報においては、圧縮比変更部を備える内燃機関において、圧縮比の高い第１の状態から圧縮比の低い第２の状態に変更する場合に、燃料供給部を制御して、変更期間の初期を含む期間では、圧縮比の低い第２の状態の空燃比よりも高く空燃比を制御することが開示されている。この内燃機関においては、高圧縮比から低圧縮比への変更期間に生じるノッキングなどの異常燃焼を抑制することが開示されている。
【０００５】
また、従来の技術においては、燃焼室に直接的に燃料を噴射する噴射弁を備えるいわゆる直噴型の内燃機関が知られている。直噴型の内燃機関においては、吸気弁の開閉動作に関わらずに気筒内に燃料を供給できるという特性を有する。
【０００６】
特開２０００−１２０４５６号公報においては、直噴型の内燃機関であって、機関排気通路に配置され、三元触媒を含む触媒装置を備える内燃機関が開示されている。この内燃機関においては、触媒を早期に活性化させるために、通常の燃料噴射による燃焼後であって、膨張行程または排気行程中に２度目の燃料（追加燃料）を噴射制御することが開示されている。この追加燃料を主燃焼に関係なく燃焼させることで、排気ガスが昇温され、高温の排気ガスにより触媒を速やかに加熱して活性状態にすることが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００５−２０７２７３号公報
【特許文献２】特開２００４−２３２５８０号公報
【特許文献３】特開２０００−１２０４５６号公報
【特許文献４】特開２００７−２１１６３７号公報
【特許文献５】特開２００７−３０３４２８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上記の特開２００５−２０７２７３号公報においては、ピストンが上死点に到達したときの燃焼室の容積を変化させることにより、圧縮比を変更する内燃機関が開示されている。例えば、ピストンが上死点に到達したときの燃焼室の容積を大きくすることにより、圧縮比を小さくすることができる。
【０００９】
ところで、内燃機関の燃焼サイクルにおいては、膨張行程において燃料と空気との混合気が燃焼して燃焼ガスになる。排気行程においては排気弁が開いた状態になり、ピストンが上昇することにより、燃焼ガスが機関排気通路に流出する。排気行程においてピストンが上死点に到達した場合にも燃焼室に相当する空間が残存する。このために、排気行程において燃焼ガスの全てが気筒内から排出されることはなく、燃焼ガスの一部が、次の燃焼サイクルまで残留する。すなわち、前回の燃焼サイクルにおいて生じた排気ガスの一部が、今回の燃焼サイクルにおいても気筒内に残留して残留ガスになる。更に、吸気弁および排気弁の開閉時期に依存して、前サイクルの燃焼ガスが気筒内に残存して残留ガスになる。気筒内に残留ガスが残存した状態で吸気行程に移行する。このように内燃機関においては、内部排気再循環（内部ＥＧＲ）が生じる。
【００１０】
ところが、圧縮比可変機構を備える内燃機関では、機械圧縮比が変化すると残留ガスの容積が変化し、気筒内に流入する新気の量が変化するという問題があった。すなわち、吸気弁や排気弁の開閉時期等が同一の条件下でも、気筒内に流入する新気の量が機械圧縮比に依存して変化するという問題が生じていた。たとえば、新気の量はピストンの行程容積に対応する量になることが好ましいが、新気の量が所望の量からずれてしまうという問題が生じていた。
【００１１】
内燃機関が燃料を吸気ポートに噴射するポート噴射型であり、気筒内に流入する新気が燃料と空気との混合気である場合には、気筒内に充填される混合気の量が、機械圧縮比に依存して所望の量からずれてしまう場合があった。このため、出力されるトルクや燃料消費量に悪影響を及ぼす場合があった。
【００１２】
内燃機関が燃料を燃焼室に直接噴射する直噴型であり、気筒内に流入する新気が空気の場合には、気筒内に充填される空気の量が機械圧縮比に依存して、所望の量からずれてしまう場合があった。燃焼時における燃焼空燃比が所望の値から離れ、この結果、出力されるトルクに悪影響を与えたり、排気性状が悪化したりするという問題があった。例えば、排気浄化装置に三元触媒が含まれる場合には、燃焼時の空燃比を理論空燃比に近づけることが好ましい。しかしながら、気筒内に流入する空気の量が変化することにより、理論空燃比からのずれが大きくなる場合があった。
【００１３】
本発明は、圧縮比可変機構を備え、機械圧縮比に依存して気筒内に流入する新気の量が所望の量からずれることを抑制する内燃機関を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明の内燃機関は、燃焼室の容積が可変に形成されている圧縮比可変機構と、気筒内に冷却液体を供給する冷却液体供給手段とを備える。燃焼サイクルの排気行程において気筒内から燃焼ガスを排出し、排気弁を閉弁したときには気筒内に燃焼ガスが残留しており、気筒内に残留する燃焼ガスを冷却する冷却液体の供給量を機械圧縮比に基づいて設定し、排気弁が閉弁する直前の予め定められた時期に、設定した供給量の冷却液体を気筒内に供給することにより燃焼ガスを収縮させる。
【００１５】
上記発明においては、冷却液体供給手段は、気筒内に燃料を噴射する燃料噴射弁を含み、内燃機関の運転状態を検出し、運転状態に基づいて１回の燃焼サイクルに気筒内に供給する全体の燃料噴射量を設定し、機械圧縮比に基づいて予備の燃料噴射量を設定し、排気弁が閉弁する直前の予め定められた時期に、設定した予備の燃料噴射量にて燃料を噴射し、排気弁が閉弁した後に全体の燃料噴射量から予備の燃料噴射量を減算した噴射量にて、気筒内に燃料を供給することができる。
【００１６】
上記発明においては、冷却液体供給手段は、気筒内に冷却水を噴射する冷却水噴射弁を含み、冷却液体として冷却水を燃焼室に供給することができる。
【００１７】
上記発明においては、燃焼室から排気が流出する排気ポートを含む機関本体と、機関排気通路に液体の還元剤を供給可能に形成されている還元剤供給弁とを備え、還元剤供給弁は、排気ポートに還元剤を噴射するように形成されており、冷却液体供給手段は、還元剤供給弁を含み、還元剤を排気ポートに噴射することにより、気筒内に冷却液体として還元剤を供給することができる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、圧縮比可変機構を備え、機械圧縮比に依存して気筒内に流入する新気の量が所望の量からずれることを抑制する内燃機関を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】実施の形態１における内燃機関の概略図である。
【図２】実施の形態１における圧縮比可変機構の概略分解斜視図である。
【図３】実施の形態１の内燃機関において、機械圧縮比が高圧縮比の時のシリンダブロックおよびクランクケースの部分の概略断面図である。
【図４】実施の形態１の内燃機関において、機械圧縮比が低圧縮比の時のシリンダブロックおよびクランクケースの部分の概略断面図である。
【図５】実施の形態１の比較例の内燃機関の運転制御において、残留ガスの収縮を説明する概略図である。
【図６】実施の形態１の内燃機関の運転制御において、残留ガスの収縮を説明する概略図である。
【図７】実施の形態１における内燃機関の運転制御のタイムチャートである。
【図８】実施の形態１における内燃機関の運転制御のフローチャートである。
【図９】実施の形態２における内燃機関の概略図である。
【図１０】実施の形態２における内燃機関の運転制御のフローチャートである。
【図１１】実施の形態３における内燃機関の概略図である。
【図１２】実施の形態３における内燃機関の運転制御のフローチャートである。
【図１３】実施の形態４における内燃機関の概略図である。
【図１４】実施の形態４における比較例の内燃機関の運転制御を説明するグラフである。
【図１５】実施の形態４における内燃機関の第１の運転制御のフローチャートである。
【図１６】実施の形態４における内燃機関の第２の運転制御のフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
（実施の形態１）
図１から図８を参照して、実施の形態１における内燃機関について説明する。本実施の形態においては、車両に配置されている内燃機関を例に取り上げて説明する。
【００２１】
図１は、本実施の形態における内燃機関の概略図である。本実施の形態における内燃機関は、火花点火式である。内燃機関は、機関本体１を備える。機関本体１は、シリンダブロック２とシリンダヘッド４とを含む。シリンダブロック２の内部には、ピストン３が配置されている。ピストン３は、シリンダブロック２の内部で往復運動する。
【００２２】
本実施の形態においては、ピストン３が上死点に到達したときのピストン３の冠面およびシリンダヘッド４により囲まれる空間を燃焼室という。燃焼室５は、それぞれの気筒ごとに形成されている。燃焼室５には、機関吸気通路および機関排気通路が接続されている。機関吸気通路は、燃焼室５に空気または燃料と空気との混合気を供給するための通路である。本実施の形態においては、機関吸気通路から気筒内に流入する空気または空気と燃料との混合気を新気という。機関排気通路は、燃料の燃焼により生じた排気を燃焼室５から排出するための通路である。
【００２３】
シリンダヘッド４には、吸気ポート７および排気ポート９が形成されている。吸気弁６は吸気ポート７の端部に配置され、燃焼室５に連通する機関吸気通路を開閉可能に形成されている。排気弁８は、排気ポート９の端部に配置され、燃焼室５に連通する機関排気通路を開閉可能に形成されている。シリンダヘッド４には、点火装置としての点火プラグ１０が固定されている。
【００２４】
本実施の形態における内燃機関は、燃焼室５に燃料を供給するための燃料噴射弁１１を備える。本実施の形態における燃料噴射弁１１は、気筒内に直接的に燃料を噴射するように配置されている。本実施の形態における内燃機関は、いわゆる直噴型である。燃料噴射弁１１は、電子制御式の吐出量可変な燃料ポンプ２９を介して燃料タンク２８に接続されている。燃料ポンプ２９は、燃料噴射弁１１から燃料を噴射可能なように燃料を加圧する。燃料タンク２８内に貯蔵されている燃料は、燃料ポンプ２９によって燃料噴射弁１１に供給される。
【００２５】
各気筒の吸気ポート７は、対応する吸気枝管１３を介してサージタンク１４に連結されている。サージタンク１４は、吸気ダクト１５を介してエアクリーナ（図示せず）に連結されている。吸気ダクト１５の内部には、吸入空気量を検出するエアフローメータ１６が配置されている。吸気ダクト１５の内部には、ステップモータ１７によって駆動されるスロットル弁１８が配置されている。一方、各気筒の排気ポート９は、対応する排気枝管１９に連結されている。排気枝管１９は、排気処理装置２１に連結されている。本実施の形態における排気処理装置２１は、三元触媒２０を含む。排気処理装置２１は、排気管２２に接続されている。
【００２６】
本実施の形態における内燃機関は、電子制御ユニット３１を備える。本実施の形態における電子制御ユニット３１は、デジタルコンピュータを含む。電子制御ユニット３１は、双方向バス３２を介して相互に接続されたＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）３３、ＲＯＭ（リードオンリメモリ）３４、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）３５、入力ポート３６および出力ポート３７を含む。
【００２７】
エアフローメータ１６の出力信号は、対応するＡＤ変換器３８を介して入力ポート３６に入力される。アクセルペダル４０には、負荷センサ４１が接続されている。負荷センサ４１は、アクセルペダル４０の踏込量に比例した出力電圧を発生する。この出力電圧は、対応するＡＤ変換器３８を介して入力ポート３６に入力される。
【００２８】
クランク角センサ４２は、クランクシャフトが、例えば所定の角度を回転する毎に出力パルスを発生し、この出力パルスは入力ポート３６に入力される。クランク角センサ４２の出力により、機関回転数を検出することができる。また、クランク角センサ４２の出力により、クランク角度を検出することができる。機関排気通路において、排気処理装置２１の下流には、排気処理装置２１の温度を検出する温度検出器としての温度センサ４３が配置されている。温度センサ４３の出力は、対応するＡＤ変換器３８を介して入力ポート３６に入力される。
【００２９】
電子制御ユニット３１の出力ポート３７は、それぞれの対応する駆動回路３９を介して燃料噴射弁１１および点火プラグ１０に接続されている。本実施の形態における電子制御ユニット３１は、燃料噴射制御や点火制御を行うように形成されている。すなわち、燃料を噴射する時期および燃料の噴射量が電子制御ユニット３１により制御される。更に点火プラグ１０の点火時期が電子制御ユニット３１により制御されている。また、出力ポート３７は、対応する駆動回路３９を介して、スロットル弁１８を駆動するステップモータ１７および燃料ポンプ２９に接続されている。これらの機器は、電子制御ユニット３１により制御されている。
【００３０】
本実施の形態における内燃機関は、圧縮比可変機構を備える。本実施の形態における圧縮比可変機構は、燃焼室の容積を変更することにより圧縮比を変更するように形成されている。燃焼室における実際の圧縮比である実圧縮比は、（実圧縮比）＝（燃焼室の容積＋圧縮行程において吸気弁が閉じている期間のピストンの行程容積）／（燃焼室の容積）にて示される。
【００３１】
図２は、本実施の形態における内燃機関の圧縮比可変機構の分解斜視図である。図３は、内燃機関の燃焼室の部分の第１の概略断面図である。図３は、圧縮比可変機構により高圧縮比になったときの概略図である。本実施の形態における内燃機関は、クランクケースを含む下部構造物と、下部構造物の上側に配置されているシリンダブロックとが互いに相対移動する。本実施の形態における下部構造物は、圧縮比可変機構を介してシリンダブロックを支持している。また、本実施の形態における下部構造物は、クランクシャフトを支持している。
【００３２】
図２および図３を参照して、シリンダブロック２の両側の側壁の下方には複数個の突出部８０が形成されている。突出部８０には、断面形状が円形のカム挿入孔８１が形成されている。クランクケース７９の上壁には、複数個の突出部８２が形成されている。突出部８２には、断面形状が円形のカム挿入孔８３が形成されている。クランクケース７９の突出部８２は、シリンダブロック２の突出部８０同士の間に嵌合する。
【００３３】
本実施の形態における圧縮比可変機構は、シリンダブロックの支持軸としての一対のカムシャフト８４，８５を含む。カムシャフト８４，８５には、それぞれのカム挿入孔８３内に回転可能に挿入される円形カム８８が固定されている。円形カム８８は各カムシャフト８４，８５の回転軸線と同軸状に配置されている。一方で、それぞれの円形カム８８の両側には、カムシャフト８４，８５の回転軸線に対して偏心して配置された偏心軸８７が延びている。この偏心軸８７上には、別の円形カム８６が偏心して回転可能に取付けられている。これらの円形カム８６は円形カム８８の両側に配置されている。円形カム８６は対応するカム挿入孔８１内に回転可能に挿入されている。
【００３４】
圧縮比可変機構は、モータ８９を含む。モータ８９の回転軸９０には、螺旋方向が互いに逆向きの２つのウォーム９１，９２が取付けられている。それぞれのカムシャフト８４，８５の端部には、ウォームホイール９３，９４が固定されている。ウォームホイール９３，９４は、ウォーム９１，９２と噛み合うように配置されている。モータ８９が回転軸９０を回転させることにより、カムシャフト８４，８５を、互いに反対方向に回転させることができる。
【００３５】
図３を参照して、それぞれのカムシャフト８４，８５上に配置された円形カム８８を、矢印９７に示すように互いに反対方向に回転させると、偏心軸８７が円形カム８８の上端に向けて移動する。円形カム８６は、カム挿入孔８１内において、矢印９６に示すように円形カム８８と反対方向に回転する。
【００３６】
図４に、本実施の形態における内燃機関の燃焼室の部分の第２の概略断面図を示す。図４は、圧縮比可変機構により低圧縮比になったときの概略図である。図４に示されるように偏心軸８７が円形カム８８の上端まで移動すると、円形カム８８の中心軸が偏心軸８７よりも下方に移動する。図３および図４を参照して、クランクケース７９とシリンダブロック２との相対位置は、円形カム８６の中心軸と円形カム８８の中心軸との距離によって定まる。円形カム８６の中心軸と円形カム８８の中心軸との距離が大きくなるほどシリンダブロック２はクランクケース７９から離れる。矢印９８に示すようにシリンダブロック２がクランクケース７９から離れるほど、ピストン３が圧縮上死点に達したときの燃焼室５の容積が大きくなる。
【００３７】
本実施の形態における圧縮比可変機構は、クランクケースに対してシリンダブロックが相対的に移動することにより、燃焼室の容積が可変に形成されている。本実施の形態においては、下死点から上死点までのピストンの行程容積と燃焼室の容積のみから定まる圧縮比を機械圧縮比と言う。機械圧縮比は吸気弁の閉弁時期に依存せずに、（機械圧縮比）＝（燃焼室の容積＋ピストンの行程容積）／（燃焼室の容積）で示される。
【００３８】
図３ではピストン３が圧縮上死点に到達しており、燃焼室５の容積が小さくなっている。吸入空気量が常時一定の場合には実圧縮比が高くなる。この状態は、機械圧縮比が高い状態である。これに対して、図４ではピストン３が圧縮上死点に到達しており、燃焼室５の容積が大きくなっている。吸入空気量が常時一定の場合には実圧縮比が低くなる。この状態は、機械圧縮比が低い状態である。このように、本実施の形態における内燃機関は、運転期間中に圧縮比を変更することができる。たとえば、内燃機関の運転状態に応じて、圧縮比可変機構により機械圧縮比を変更することができる。
【００３９】
図３を参照して、クランクケース７９とシリンダブロック２との境界部分には、クランクケース７９とシリンダブロック２との相対位置を検出するための相対位置センサ９５が取付けられている。相対位置センサ９５により、クランクケース７９とシリンダブロック２との相対位置を検出し、機械圧縮比を検出することができる。相対位置センサ９５の出力信号は、電子制御ユニット３１に入力される。
【００４０】
本実施の形態における圧縮比可変機構は、回転軸を偏心させた円形カムを回転させることにより、クランクケースに対してシリンダブロックを相対的に移動させているが、この形態に限られず、ピストンが上死点に到達したときの燃焼室の容積を変更できる任意の圧縮比可変機構を採用することができる。
【００４１】
ところで、内燃機関の燃焼サイクルの排気行程においては、ピストンが上死点まで上昇する。排気行程においては、大部分の燃焼ガスが排出されるが、一部の燃焼ガスは機関排気通路に流出せずに燃焼室に残留して残留ガスになる。残留ガスは、次の吸気工程において気筒内に流入する新気と混合される。それぞれの燃焼サイクルにおいて気筒内に封入される気体には、機関吸気通路から供給される新気と残留ガスとが含まれる。
【００４２】
図５に、本実施の形態の比較例の内燃機関の運転制御における残留ガスの収縮を説明する概略図を示す。本実施の形態の内燃機関においては、排気行程においてピストン３が上昇し、ピストン３が上死点に到達したときに排気弁が閉弁する。また、ピストン３が上死点に到達したときに吸気弁が開弁する。本実施の形態の内燃機関では、ピストンが下死点に位置しているときに吸気弁が閉弁する。図５には、吸気行程の開始時と吸気行程の終了時との概略図が示されている。
【００４３】
吸気行程の開始時に燃焼室５に残留する燃焼ガスは、残留ガスになる。残留ガスは、燃料が燃焼した直後の排気ガスであるために高温の状態である。次に、吸気行程においては吸気ポートから新気が流入する。本実施の形態においては、直噴型の内燃機関であるために空気が気筒内に流入する。気筒内に流入する空気には外気が含まれるために、低温の状態である。気筒内に残留する残留ガスは、新気に冷却される。残留ガスは、温度が低下するとともに収縮する。
【００４４】
このために、吸気行程の終了時には残留ガスの容積が小さくなる。容積が小さくなった収縮量の部分についても、吸気ポートから新気が供給される。吸気行程において気筒内に流入する新気の量は、たとえば燃焼時の空燃比を正確に制御するために、吸気弁が開いている期間のピストン３の行程容積になることが好ましい。ところが、残留ガスの収縮量に対応する部分には新気が流入するため、所望の新気の量よりも多くの新気が気筒内に流入する。
【００４５】
比較例の内燃機関の運転制御では、機械圧縮比を変更すると、燃焼室の容積が変化するために残留ガスの量が変化する。このために、吸気行程の終了時の残留ガスの収縮量も変化する。この結果、吸気弁および排気弁の開閉時期等の条件が同一であっても、機械圧縮比を変更すると、気筒内に流入する新気の量が変化していた。
【００４６】
図６は、本実施の形態の内燃機関の運転制御における残留ガスの収縮を説明する概略図である。本実施の形態における内燃機関は、気筒内に冷却液体を供給する冷却液体供給手段を備える。本実施の形態においては、残留ガスを冷却するための冷却液体として燃料を用いる。
【００４７】
本実施の形態の冷却液体供給手段は、気筒内に燃料を噴射する燃料噴射弁１１を含む。本実施の形態の内燃機関の運転制御においては、排気弁が閉弁する直前の予め定められた時期に、残留ガスを冷却するための冷却液体を気筒内に供給して残留ガスを収縮させる。残留ガスを収縮させた後に排気弁を閉弁する。この構成により、吸気行程において新気が流入している期間中に残留ガスが収縮することを抑制することができる。気筒内に流入する新気の量が所望の量よりも多くなることを抑制することができる。
【００４８】
排気行程の途中においては、矢印１０１に示すように、ピストン３が上死点に向かって移動している。このときに、燃料噴射弁１１から燃料の予備噴射を行うことにより、高温の残留ガスを冷却する。すなわち、排気行程において残留ガスを冷却する。残留ガスは冷却により低温になると共に収縮する。
【００４９】
吸気行程の開始時（本実施の形態においては排気行程の終了時）においては、ピストン３が上死点に到達している。このときに、残留ガスは燃料の予備噴射より冷却されて、既に収縮している。この後にピストン３が下降して吸気行程が行なわれ、新気が気筒内に流入する。残留ガスは、吸気行程の開始時に既に冷却されているために、新気による残留ガスの冷却を抑制することができる。本実施の形態における内燃機関の運転制御においては、機械圧縮比が変更されて残留ガスの量が変化しても、気筒内に流入する新気の量をほぼ行程容積にすることができる。吸気弁および排気弁の開閉時期等の運転状態が同一の時に、機械圧縮比に依存して気筒内に流入する新気の量が変化することを抑制できる。
【００５０】
図６に示す例においては、吸気行程において気筒内に流入する新気により、低温の残留ガスがさらに冷却されて、わずかに収縮している。残留ガスの収縮量がわずかに存在しているが、気筒内に流入する新気の量をほぼ行程容積にすることができる。残留ガスの収縮についてはこの形態に限られず、排気行程において十分に残留ガスを冷却し、吸気行程における残留ガスの収縮量が零になるように制御しても構わない。
【００５１】
このように、本実施の形態においては、吸気行程が開始される前に残留ガスを冷却することにより、吸気行程における残留ガスの収縮を抑制することができる。吸気行程において気筒内に流入する新気の量が所望の量からずれることを抑制できる。このために、燃焼時の空燃比を所望の空燃比に近づけることができる。
【００５２】
また、図１を参照して、本実施の形態の排気浄化装置は三元触媒２０を含む。本実施の形態においては、機関吸気通路、燃焼室、または機関排気通路に供給された排気ガスにおいて、空気および燃料の比を排気ガスの空燃比（Ａ／Ｆ）と称する。三元触媒２０は、流入する排気ガスの空燃比が、ほぼ理論空燃比であることが好ましい。このために、燃焼室において燃焼する時の燃焼空燃比は、ほぼ理論空燃比であることが好ましい。
【００５３】
本実施の形態の内燃機関においては、気筒内に吸入される空気量を従来の技術より正確に制御することができるために、燃焼時の空燃比を理論空燃比に近づけることができる。このために、三元触媒に流入する排気ガスの空燃比を理論空燃比に近づけることができる。三元触媒において排気を効果的に浄化することができて、大気中に放出される排気の性状悪化を抑制できる。
【００５４】
図７に、本実施の形態の内燃機関における運転制御のタイムチャートを示す。図７の運転制御例では、吸気行程の開始時のピストンが上死点に位置しているクランク角度を０度としている。本実施の形態において、吸気弁は、クランク角度が０度から１８０度までの期間に開弁する。排気弁は、クランク角度が５４０度から７２０度（０度）までの期間に開弁する。本実施の形態の内燃機関においては、排気行程の排気弁の閉弁の直前の予め定められた時期に、冷却液体として機能する燃料の噴射を行なっている。
【００５５】
圧縮行程においては、気筒内に封入された新気が圧縮される。本実施の形態においては、ピストンが圧縮上死点に到達する前に燃料の主噴射を行なっている。その後に点火することにより、燃料が燃焼して膨張行程が行なわれる。排気行程においては排気弁が開弁される。本実施の形態においては、排気弁の閉弁直前の予め定められた時期に残留ガスを冷却するための燃料の予備噴射を行なっている。クランク角度が７２０度（０度）において、排気弁を閉弁し、吸気弁を開弁する制御を行なっている。この後に吸気行程を行なっている。このように、本実施の形態においては、１つの気筒の１回の燃焼サイクルにおいて、複数回の燃料噴射を行なっている。
【００５６】
冷却液体としての燃料の噴射量である予備の燃料噴射量は、残留ガスの温度が新気の温度に近づいて、吸気行程における残留ガスの収縮を抑制できる量を設定することができる。
【００５７】
本実施の形態の内燃機関においては、機械圧縮比に基づいて、予備の燃料噴射量を設定し、設定した予備の燃料噴射量にて燃料を噴射している。予備の燃料噴射量としては、残留ガスの量が多いほど、多くの燃料を噴射することが好ましい。たとえば、機械圧縮比が低くなるほど、燃焼室の容積が大きくなり、残留ガスの量が多くなる。このため、機械圧縮比が低くなるほど予備の燃料噴射量を大きくする制御を行なうことが好ましい。また、予備の燃料噴射量としては、排気弁が閉弁するまでに残留ガスがほぼ吸気の温度まで冷却される量であることが好ましい。
【００５８】
予備の燃料噴射量は、例えば機械圧縮比を関数にした予備の燃料噴射量のマップを予め作成して電子制御ユニットに記憶させておくことができる。または、予備の燃料噴射量の設定においては、機械圧縮比に加えて他の運転状態に基づいて設定しても構わない。たとえば、機関回転数や要求負荷などを関数にしても構わない。この場合には、内燃機関の運転状態を検出し、運転状態に基づいて予備の燃料噴射量を設定することができる。または、本実施の形態においては、実際の機械圧縮比を検出しているが、この形態に限られず、要求される機械圧縮比を用いて燃料の噴射量を設定しても構わない。
【００５９】
本実施の形態においては、内燃機関の運転状態を検出し、運転状態に基づいて燃焼室に供給する１個の気筒の１回の燃焼サイクルにおける全体の燃料噴射量を設定する。全体の燃料噴射量としては、例えば、機関回転数、要求負荷および機械圧縮比に基づいて設定することができる。燃焼室に燃料を供給する主噴射の燃料噴射量は、全体の燃料噴射量から予備の燃料噴射量を減算することにより算出することができる。この制御を行なうことにより、燃焼室に供給する全体の燃料噴射量を変化させずに、燃料の予備噴射を行なって残留ガスを収縮させることができる。
【００６０】
図８に、本実施の形態における内燃機関の運転制御のフローチャートを示す。図８の運転制御では１回の燃焼サイクルを示しており、繰り返し行なうことができる。図８のフローチャートでは、燃料の主噴射から記載を開始している。
【００６１】
ステップ１１１においては、圧縮行程において燃料の主噴射を行なう。ステップ１１２においては、点火により燃料を燃焼させて膨張行程を行う。ステップ１１３においては、排気弁を開弁して排気行程を開始する。
【００６２】
ステップ１１４においては、機械圧縮比を検出する。図３を参照して、本実施の形態の内燃機関においては、相対位置センサ９５の出力により機械圧縮比を検出することができる。また、同時に内燃機関の運転状態を検出する。
【００６３】
次に、ステップ１１５においては、検出した機械圧縮比に基づいて、予備の燃料噴射量を設定する。本実施の形態においては、機械圧縮比を関数にする予備の燃料噴射量のマップを電子制御ユニット３１に記憶させている。ステップ１１５においては、検出した機械圧縮比に基づいて予備の燃料噴射量をマップから読み込む。また、内燃機関の運転状態に基づいて、１回の燃焼サイクルにおける全体の燃料噴射量を設定する。全体の燃料噴射量から予備の燃料噴射量を減算することにより、主噴射の燃料の噴射量を算出することができる。
【００６４】
ステップ１１６においては、排気弁の閉弁直前に燃料の予備噴射を行なう。燃料の予備噴射を行なうことにより残留ガスを収縮させる。
【００６５】
次に、ステップ１１７においては、排気弁を閉弁し、吸気弁を開弁する。排気行程を終了して吸気行程に移行する。吸気行程においては新気が気筒内に流入するが、予備噴射を行っていることにより、吸気行程における残留ガスの収縮を抑制することができる。
【００６６】
ステップ１１８においては、吸気弁を閉弁する。吸気行程が終了して、圧縮行程に移行する。このような１回の燃焼サイクルを繰り返して行なうことができる。
【００６７】
本実施の形態における予備の燃料噴射量は、機械圧縮比に基づいて可変に制御しているが、この形態に限られず、予備の燃料噴射量を一定の量に制御することもできる。すなわち、予備の燃料噴射量を固定することができる。ところが、予備の燃料噴射量が少ないと、残留ガスをほとんど冷却できない虞がある。また、予備の燃料噴射量が多いと、排気行程において、排気ガスと共に機関排気通路に排出される燃料の量が多くなる虞がある。このために、予備の燃料噴射量は、機械圧縮比に基づいて噴射量を設定することが好ましい。
【００６８】
燃料の予備噴射を行なう時期としては、排気弁が閉弁した後に燃料の予備噴射を行うと封入された残留ガスが収縮するために、排気弁の閉弁前が好ましい。排気弁の閉弁前に残留ガスを収縮させたときの収縮量に対応する気体は、排気ポートから燃焼室に流入させることができる。
【００６９】
また、燃料の予備噴射を行う時期としては、燃焼室における燃料の燃焼が終了した後に設定することができる。例えば、排気行程を開始した直後に燃料の予備噴射を行なうことができる。しかしながら、排気行程を開始した直後においては、気筒内に残留する残留ガスの量が多いにために、残留ガスの温度を低下させるためには、多量の燃料噴射が必要となる。また、燃焼ガスの大部分が機関排気通路に排出されるために、燃焼ガスと共に機関排気通路に排出される燃料の量が多くなる。このため、燃料の予備噴射の噴射時期は、気筒内の残留ガスが少量であり、機関排気通路に排出される残留ガスの量が少なくなっている排気弁が閉弁する直前の時期が好ましい。
【００７０】
上記の実施の形態においては、ピストンが上死点に到達したときに吸気弁を開弁するとともに、排気弁を閉弁する制御を行なっている。すなわち、吸気弁と排気弁とのバルブオーバラップを有しない制御を例示しているが、この形態に限られず、吸気弁と排気弁とのバルブオーバラップを有していても構わない。この場合には、予備の燃料噴射量は、バルブオーバラップ量に基づいて設定しても構わない。例えば、バルブオーバラップ量を多くすると、気筒内に残留する残留ガスが多くなるために、予備の燃料噴射量を多くする補正を行なうことができる。
【００７１】
また、後述する実施の形態４における超高膨張比制御を行う内燃機関の場合には、吸入する新気の量を少なくするために、吸気弁の閉弁時期を遅角する制御を行なう場合がある。すなわち、ピストンが下死点に到達した後に、吸気弁を閉弁する制御を行なう場合がある。このような内燃機関の場合には、機関吸気通路への新気の吹き戻しが存在する。この内燃機関においては、機関吸気通路への吹き戻し量に基づいて、予備の燃料噴射量を設定する制御を行なっても構わない。
【００７２】
このように、予備の燃料噴射量の設定においては、機械圧縮比の他に吸気弁および排気弁の開閉時期に基づいて補正を行なうことができる。更に、他の内燃機関の運転状態を検出し、検出した運転状態に基づいて予備の燃料噴射量を設定しても構わない。
【００７３】
本実施の形態においては、残留ガスを冷却する冷却液体として燃料を用いているが、この形態に限られず、残留ガスを冷却する任意の冷却液体を気筒内に供給することができる。
【００７４】
本実施の形態における冷却液体供給手段は、気筒内に直接的に冷却液体を供給するように形成されているが、この形態に限られず、冷却液体供給手段としては、気筒内に冷却液体を供給できる任意の装置を採用することができる。例えば、排気ポートを介して間接的に冷却液体を気筒内に供給するように形成されていても構わない。
【００７５】
本実施の形態においては、火花点火式の内燃機関を例に取り上げて説明したが、この形態に限られず、圧縮自着火式の内燃機関にも本発明を適用することができる。
【００７６】
本実施の形態においては、車両に配置されている内燃機関を例に取り上げて説明したが、この形態に限られず、圧縮比可変機構を備える任意の内燃機関に本発明を適用することができる。
【００７７】
（実施の形態２）
図９および図１０を参照して、実施の形態２における内燃機関について説明する。本実施の形態の内燃機関は、実施の形態１における冷却液体としての燃料を噴射する燃料噴射弁の代わりに、冷却液体としての水を噴射する水噴射弁を備える。
【００７８】
図９に、本実施の形態における内燃機関の概略図を示す。本実施の形態における内燃機関は、吸気ポートに燃料を噴射するポート噴射型の内燃機関である。本実施の形態における内燃機関は、吸気ポート７に燃料を噴射するように配置されている燃料噴射弁１１を含む。
【００７９】
本実施の形態の内燃機関においては、吸気ポート７の内部に燃料の噴射が行なわれる。燃料噴射弁１１からの燃料の噴射時期は、例えば、吸気弁６の開弁時期よりも早い時期を例示することができる。または、吸気弁６の開弁前から吸気弁６の開弁直後までの期間にわたって、吸気ポート７内に燃料の噴射を行なうことができる。燃料の噴射量は、内燃機関の運転状態を検出し、検出した運転状態に基づいて設定することができる。
【００８０】
本実施の形態における冷却液体を供給する冷却液体供給手段は、気筒内に冷却水を供給する冷却水噴射弁６１を含む。本実施の形態における冷却水噴射弁６１は、気筒内に直接的に冷却水を噴射するように形成されている。冷却液体供給手段は、冷却水噴射弁６１に冷却水を供給するための冷却水ポンプ６３を含む。また、冷却液体供給手段は、冷却水を貯留するための冷却水タンク６２を含む。冷却水ポンプ６３は、冷却水タンク６２の冷却水を、冷却水噴射弁６１に供給する。冷却水噴射弁６１および冷却水供給ポンプ６３は、電子制御ユニット３１に制御されている。
【００８１】
本実施の形態の内燃機関においても、残留ガスを冷却するための冷却液体の供給量を機械圧縮比に基づいて設定し、排気弁が閉弁する直前の予め定められた時期に、設定した供給量の冷却液体を気筒内に供給する。
【００８２】
図１０に、本実施の形態における内燃機関の運転制御のフローチャートを示す。図１０の運転制御は、繰り返して行うことができる。図１０においては、１回の燃焼サイクルの運転制御について記載している。
【００８３】
ステップ１２１においては、燃焼室において点火を行なって燃料の燃焼を行なう。燃焼サイクルの膨張行程を行なう。ステップ１２２においては、排気弁を開弁して排気行程を開始する。
【００８４】
次に、ステップ１２３においては、機械圧縮比を検出する。ステップ１２４においては、気筒内に噴射する冷却水の噴射量を設定する。冷却水の噴射量は、実施の形態１と同様に、検出した機械圧縮比に基づいて設定することができる。冷却水の噴射量の設定においても、実施の形態１と同様に、例えば、機械圧縮比を関数にする冷却水の噴射量のマップを予め作成し、電子制御ユニット３１に記憶させておくことができる。
【００８５】
次に、ステップ１２５において、排気弁の閉弁直前の予め定められた時期に冷却水の噴射を行なう。冷却水を噴射することにより、排気弁を閉弁する前に残留ガスを収縮させることができる。
【００８６】
次に、ステップ１２６において、排気弁を閉弁するとともに吸気弁を開弁する。排気行程を終了して吸気行程に移行する。ステップ１２７においては、吸気弁を閉弁し、吸気行程を終了して圧縮行程に移行する。
【００８７】
このように、残留ガスを冷却する冷却水を気筒内に供給することにより、残留ガスを予め収縮させて、吸気行程の期間中に残留ガスの収縮を抑制することができる。気筒内に流入する新気の量を所望の量に近づけることができる。
【００８８】
その他の構成、作用および効果については、実施の形態１と同様であるので、ここでは説明を繰り返さない。
【００８９】
（実施の形態３）
図１１および図１２を参照して、実施の形態３における内燃機関について説明する。本実施の形態の内燃機関は、機関排気通路を介して気筒内に冷却液体を供給する。
【００９０】
図１１に、本実施の形態における内燃機関の概略図を示す。本実施の形態においては、ポート噴射型の内燃機関を例示して説明する。本実施の形態の内燃機関は、排気浄化装置を備え、排気浄化装置は、排気処理装置としてのＮＯＸ選択還元触媒６５を含む。本実施の形態の内燃機関においては、ＮＯＸ選択還元触媒６５に流入する排気に酸素が含まれるように制御される。ＮＯＸ選択還元触媒６５に流入する排気の空燃比がリーンになるように制御される。本実施の形態においては、燃料の燃焼時の燃焼空燃比がリーンになるように制御される。
【００９１】
ＮＯＸ選択還元触媒は、還元剤を供給することによりＮＯＸを選択的に還元することができる排気処理装置である。本実施の形態におけるＮＯＸ選択還元触媒は、アンモニアを還元剤としてＮＯＸを還元する。ＮＯＸ選択還元触媒は、例えば、アンモニアを吸着し、鉄等の遷移金属をイオン交換して担持させたゼオライトから構成することができる。または、アンモニアの吸着機能を有しないチタニア・バナジウム系の触媒から構成することができる。
【００９２】
排気浄化装置は、ＮＯＸ選択還元触媒に還元剤を供給する還元剤供給弁を備える。本実施の形態における還元剤供給弁は、尿素水添加弁６６を含む。尿素水添加弁６６は、機関排気通路内に液体の尿素水を噴射するように形成されている。本実施の形態における尿素水添加弁６６は、排気ポート９に尿素水を噴射するように形成されている。
【００９３】
本実施の形態における排気浄化装置は、尿素水添加弁６６に尿素を供給する尿素水ポンプ６７と尿素水タンク６８とを含む。尿素水添加弁６６には、尿素水ポンプ６７を介して尿素水タンク６８に接続されている。尿素水添加弁６６および尿素水ポンプ６７は、電子制御ユニットに接続されている。
【００９４】
尿素水添加弁６６から機関排気通路を流れる排気ガス中に尿素水が供給されると、尿素水が加水分解される。尿素水が加水分解されることによりアンモニアと二酸化炭素が生成される。生成されたアンモニアがＮＯＸ選択還元触媒に供給されることにより、ＮＯＸ選択還元触媒において、排気ガスに含まれるＮＯＸを窒素に還元することができる。
【００９５】
本実施の形態における還元剤供給弁は、尿素水を機関排気通路に供給するように形成されているが、この形態に限られず、アンモニア水等の他の還元剤を機関排気通路に供給するように形成されていても構わない。
【００９６】
本実施の形態における冷却液体供給手段は、還元剤が残留ガスを冷却する冷却液体として機能する。本実施の形態における内燃機関は、排気弁８が開弁している排気行程の期間中に、排気ポート９に向かって尿素水添加弁６６から尿素水を噴射する。尿素水添加弁６６は、液滴の状態で尿素水を噴霧する。噴射された尿素水の一部の液滴は、慣性により排気の流れに逆らって気筒内に供給される。気筒内に供給された還元剤により、残留ガスを冷却および収縮させることができる。更に、尿素水の添加により排気ポート内の排気が冷却されるために、伝熱により気筒内の残留ガスが冷却される。
【００９７】
本実施の形態の内燃機関においても、残留ガスを冷却するための冷却液体の供給量を機械圧縮比に基づいて設定し、排気弁が閉弁する直前の予め定められた時期に、設定した供給量の冷却液体を気筒内に供給する。
【００９８】
図１２に、本実施の形態における内燃機関の運転制御のフローチャートを示す。図１２の運転制御は、繰り返して行うことができる。図１２においては、１回の燃焼サイクルの運転制御について記載している。
【００９９】
ステップ１３１においては、燃焼室において点火により燃料を燃焼させて膨張行程を行う。ステップ１３２においては、排気弁を開弁して排気行程を開始する。ステップ１３３においては、機械圧縮比を検出する。ステップ１３４においては、検出した機械圧縮比に基づいて尿素水の噴射量を設定する。
【０１００】
次に、ステップ１３５においては、排気弁の閉弁直前の予め定められた時期に尿素水を排気ポートに添加する。尿素水を噴射することにより、排気弁を閉弁する前に残留ガスを冷却し、収縮させることができる。
【０１０１】
次に、ステップ１３６においては、排気弁を閉弁すると共に吸気弁を開弁する。排気行程を終了し、吸気行程に移行する。排気弁の閉弁前に残留ガスが冷却されているために、吸気行程での残留ガスの収縮が抑制される。次に、ステップ１３７においては、吸気弁を閉弁する。吸気行程から圧縮行程に移行する。
【０１０２】
このように、本実施の形態の内燃機関においても、前述の実施の形態と同様に、残留ガスを排気弁の閉弁前に冷却および収縮させることができる。気筒内に流入する新気の量を所望の量に近づけることができる。
【０１０３】
本実施の形態においては、吸気弁と排気弁とのバルブオーバラップを有しない運転制御を例示して説明したが、バルブオーバラップを有する場合には、吸気弁および排気弁が開いている期間中に、排気ポートから吸気ポートへの気体の流れが生じる場合がある。この場合には、尿素水添加弁から噴射された尿素水を気体の流れに沿って、気筒内に供給することができる。このため、気筒内に残留する残留ガスをより効果的に冷却することができる。
【０１０４】
所定の期間における還元剤の全体の添加量は、ＮＯＸ選択還元触媒に供給する還元剤の量に基づいて行なうことができる。例えば、ＮＯＸ選択還元触媒においてＮＯＸの浄化に必要なアンモニアを生成可能な尿素水の量を尿素水添加弁から供給することができる。排気弁の閉弁前に行う還元剤の噴射量に基づいて、更にＮＯＸを十分に還元するために必要な量の還元剤を添加することができる。
【０１０５】
このように、本実施の形態においては、冷却液体としての還元剤を排気ポートに噴射することにより残留ガスを冷却することができる。
【０１０６】
本実施の形態においては、排気浄化装置に必要な還元剤を排気ポートに噴射しているが、この形態に限られず、任意の冷却液体を機関排気通路に供給することができる。
【０１０７】
その他の構成、作用および効果については、実施の形態１または実施の形態２と同様であるので、ここでは説明を繰り返さない。
【０１０８】
（実施の形態４）
図１３から図１６を参照して、実施の形態４における内燃機関について説明する。本実施の形態の内燃機関は、圧縮比可変機構に加えて吸気弁の閉弁時期を変更可能な可変動弁機構を備える。本実施の形態における内燃機関は、超高膨張比制御による運転が可能なように形成されている。
【０１０９】
図１３に、本実施の形態における内燃機関の概略図を示す。本実施の形態における内燃機関は、可変動弁機構を備える。吸気ポート７の端部に配置されている吸気弁６は、吸気カム５１が回転することにより開閉するように形成されている。排気弁８は、排気カム５２が回転することにより開閉するように形成されている。可変動弁機構は、吸気弁６の開閉時期を変更する可変バルブタイミング装置５３を含む。本実施の形態における可変バルブタイミング装置５３は、吸気カム５１の回転軸に接続されている。可変バルブタイミング装置５３は、電子制御ユニット３１により制御されている。
【０１１０】
本実施の形態における可変バルブタイミング装置は、弁が開き始めてから閉じ終わるまでの作動角がほぼ一定で、作動角の中心の位相を変更可能に形成されている。可変バルブタイミング装置としては、この形態に限られず、作動角が可変に形成されていても構わない。また、吸気弁の閉弁時期を変更可能に形成されている任意の可変バルブタイミング装置を採用することができる。
【０１１１】
内燃機関は、一般的に機関負荷が低いほど熱効率が悪くなる。従って、内燃機関の運転時における熱効率を向上させるためには、負荷が低いときの熱効率を向上させることが好ましい。本実施の形態における圧縮比可変機構にて圧縮比を高くすることにより熱効率を向上させることができる。特に、圧縮比を高くすると、ピストンが上死点から下死点に向かうときの膨張比が大きくなるために熱効率が向上する。ところが、圧縮比可変機構により圧縮比を上昇させると、所定の圧縮比でノッキング等の異常燃焼が発現する。
【０１１２】
本実施の形態における内燃機関は、可変動弁機構としての可変バルブタイミング装置を備え、吸気弁の開閉時期が可変に形成されている。吸気弁を閉じる時期を遅くすることにより、燃焼室に流入する新気の量を少なくすることができる。このため、吸気弁を閉じる時期を遅くすることにより、燃焼室において混合気が圧縮される時の実圧縮比を小さくすることができる。
【０１１３】
図１４は、本実施の形態における内燃機関の比較例の運転制御全般を概略的に説明するグラフである。図１４では、負荷に対する機械圧縮比および吸気弁の閉弁時期を示している。なお、本実施の形態の内燃機関では、三元触媒によって排気ガスに含まれる未燃炭化水素、一酸化炭素、および窒素酸化物を同時に浄化できるように、燃焼時の空燃比が理論空燃比に制御されている。
【０１１４】
本実施の形態における内燃機関は、高負荷のときには圧縮比可変機構により機械圧縮比が低くなるように制御している。すなわち、ピストンが圧縮上死点に到達したときの燃焼室の容積が大きくなるように制御して、異常燃焼の発生を抑制することができる。また、高負荷の時には可変動弁機構により吸気弁を閉じる時期を早くして、燃焼室に吸入される吸入空気量を多くしている。本実施の形態における内燃機関は、高負荷の時には、スロットル弁が全開に保持されている。このためにポンピング損失をほぼ零にすることができる。
【０１１５】
本実施の形態の内燃機関は、矢印１０２に示すように負荷が小さくなると、吸入空気量を減少させるために可変動弁機構により吸気弁の閉弁時期が遅く制御される。吸気弁の閉弁時期を遅く変更する領域では、圧縮比可変機構により機械圧縮比が増大される。この制御により、燃焼室における実圧縮比をほぼ一定に保つことができる。実圧縮比が高くなって異常燃焼が発生することを制御できる。また、負荷を小さくしている領域においても、スロットル弁は全開の状態に保持されており、ポンピング損失をほぼ零にすることができる。更に、本実施の形態の内燃機関は、吸気弁を閉じる時期を遅くしても、膨張比は大きくなったままであるために、熱効率の向上を図ることができる。本実施の形態における内燃機関は、燃焼室における実際の圧縮比を異常燃焼の発現する圧縮比未満に維持しながら、低負荷においては膨張比を大きくして熱効率を向上させることができる。
【０１１６】
本実施の形態における内燃機関では、負荷が更に低くなって、やや低負荷寄りの負荷Ｌ１に到達すると、圧縮比可変機構の構造上の圧縮比変更の限界となる限界機械圧縮比に到達する。このため、負荷Ｌ１よりも低い領域では、機械圧縮比が限界機械圧縮比に保持される。
【０１１７】
また、図１４に示す例では、負荷Ｌ１まで低下すると、吸気弁の閉弁時期が燃焼室に供給される吸入空気量を制御できる限界閉弁時期になる。このために、負荷Ｌ１よりも負荷の低い領域では吸気弁の閉弁時期が限界閉弁時期に保持される。本実施の形態の内燃機関においては、負荷Ｌ１よりも低い領域ではスロットル弁によって燃焼室に吸入される吸入空気量が制御される。すなわち、負荷Ｌ１よりも低い領域では、負荷が低くなるほどスロットル弁の開度は小さくなるように制御される。
【０１１８】
本実施の形態においては、負荷が変更される過渡運転状態を例示して説明する。本実施の形態の比較例の運転制御においては、負荷Ｌ１以上の領域にて、負荷を変化させる場合には、機械圧縮比と吸気弁の閉弁時期とを同時に変更している。例えば、負荷を上昇させる場合には機械圧縮比を低下させると同時に、吸気弁の閉弁時期を進角して吸入空気量を多くしている。
【０１１９】
本実施の形態の内燃機関の運転制御においては、所定の機械圧縮比に対応する吸気弁の閉弁時期よりも、閉弁時期を遅角して膨張比を大きくすることにより、残留ガスの温度を低くする制御を行う。排気弁の開弁時には過膨張状態になっているために残留ガスの温度は低くなる。このために、吸気行程において気筒内に流入する新気により、残留ガスが冷却されて収縮することを抑制できる。本実施の形態における内燃機関は、機械圧縮比の変更と吸気弁の閉弁時期の変更とを独立して制御できるように形成されている。
【０１２０】
図１５に、本実施の形態における第１の運転制御のフローチャートを示す。第１の運転制御は、負荷が高くなる時の制御である。本実施の形態における第１の運転制御では、負荷を上昇させる場合に、機械圧縮比を先に低下させた後に、吸気弁の閉弁時期を進角させる。
【０１２１】
ステップ１４１においては、負荷上昇要求を検出する。すなわち、要求負荷が大きくなったことを検出する。要求負荷の変化は、例えば、図１を参照して、負荷センサ４１の出力により検出することができる。
【０１２２】
次に、ステップ１４２においては、吸気弁の閉弁時期を変化させずに、機械圧縮比を低下させる制御を行う。吸気弁の閉弁時期の進角前に機械圧縮比を低圧縮比にする。気筒内に流入する新気の量が変化しないように、吸気弁の閉弁時期を保持する。この後に、ステップ１４３において、吸気弁の閉弁時期を進角する制御を行う。
【０１２３】
本実施の形態の第１の運転制御においては、負荷を上昇する場合に、先に機械圧縮比を低下させることにより、所定の機械圧縮比に対する新気の量を少なくすることができて過膨張の状態を形成することができる。この結果、負荷上昇制御の期間において、残留ガスの温度を低くすることができる。吸気行程において流入する新気により残留ガスが冷却されて収縮することを抑制できる。
【０１２４】
なお、ノッキング現象やプレイグニッション現象等の異常燃焼が発現する運転状態よりも機械圧縮比が高圧縮比側であり、吸気弁の閉弁時期が進角されている場合には、異常燃焼が発現する虞がある。しかし、本実施の形態においては、異常燃焼が発現する運転状態よりも低圧縮比側であり、または、吸気弁の閉弁時期が遅角されているために異常燃焼の発現を回避することができる。
【０１２５】
図１６に、本実施の形態における第２の運転制御のフローチャートを示す。第２の運転制御においては、負荷を低下させる時の制御である。図１４を参照して、比較例の運転制御では、負荷Ｌ１以上の領域において、高負荷から低負荷に移行する場合には、機械圧縮比を上昇させると共に吸気弁の閉弁時期を遅角する制御を行う。本実施の形態における第２の運転制御では、負荷を低下させる場合に、吸気弁の閉弁時期を進角させた後に、機械圧縮比を上昇させる制御を行なう。
【０１２６】
ステップ１４４においては、負荷低下要求を検出する。次に、ステップ１４５においては、機械圧縮比を変更せずに、吸気弁の閉弁時期を遅角する。次に、ステップ１４６において、機械圧縮比を上昇させる制御を行う。気筒内に流入する新気の量が変化しないように、吸気弁の閉弁時期は保持する。
【０１２７】
負荷を低下させる場合に、先に吸気弁の閉弁時期を遅角し、その後に機械圧縮比を上昇させることにより、所定の機械圧縮比に対する気筒内の新気の量を少なくすることができて過膨張の状態を形成することができる。この結果、負荷低下制御の期間において、残留ガスの温度を低くすることができる。吸気行程において流入する新気により残留ガスが冷却されて収縮することを抑制できる。
【０１２８】
このように、本実施の形態の内燃機関においては、過渡運転制御の期間において残留ガスの温度を低くして、吸気行程において残留ガスが収縮することを抑制することができる。
【０１２９】
その他の構成、作用および効果については、実施の形態１から実施の形態３のいずれかと同様であるので、ここでは説明を繰り返さない。
【０１３０】
上述のそれぞれの運転制御は適宜、作用および効果を変更しない範囲で順序を入れ替えたり、複数のステップを同時に行なったりすることができる。また、上記の実施の形態は、適宜組み合わせることができる。
【０１３１】
上述のそれぞれの図において、同一または相当する部分には同一の符号を付している。なお、上記の実施の形態は例示であり発明を限定するものではない。また、実施の形態においては、特許請求の範囲に示される変更が含まれている。
【符号の説明】
【０１３２】
２    シリンダブロック
３    ピストン
４    シリンダヘッド
５    燃焼室
９    排気ポート
１１    燃料噴射弁
２０    三元触媒
２１    排気処理装置
２８    燃料タンク
３１    電子制御ユニット
５３    可変バルブタイミング装置
６１    冷却水噴射弁
６２    冷却水タンク
６５    ＮＯＸ選択還元触媒
６６    尿素水添加弁
６８    尿素タンク
７９    クランクケース
８７    偏心軸
８９    モータ
９５    相対位置センサ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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